XII Олимпиада по нанотехнологиям (с решениями) - часть 18

 

 

 

 

Биология для школьников 7 – 11 класса (заочный тур) 
Задача 2. Эндосимбиоз в клетках 

 
Природа начала создавать наномашины задолго до того, как это начал делать человек. Так, 
митохондрия  –  это  готовая  фабрика  по  созданию  высокоэнергетического  топлива  – 
молекулы АТФ. Считается, что митохондрия – это результат эндосимбиоза, при котором одна 
прокариотическая  клетка  проникла  в  другую  и  обе  получили  от  этого  неоспоримые 
преимущества. 
 

1.

 

Какие признаки указывают на бактериальное происхождение митохондрий? (1 балл) 

Приведите  другой  пример  эндосимбиоза,  приведший  в  итоге  к  образованию 
органеллы  в  растительной  клетке.  (1  балл)  Какая  еще  форма  взаимоотношений  по 
вашему мнению могла привести к возникновению митохондрий? (1 балл) 

 
В митохондриях используется белковый наноротор для синтеза АТФ.  
 

2.

 

Предложите обоснованные примеры использования этого ротора в будущем и какие 

особенности их конструкции ограничивают условия их применения? (2 балла) 

 
Всего – 5 баллов 

138

 

 

 

 

Биология для школьников 7 – 11 класса (заочный тур) 
Решение задачи 2. Эндосимбиоз в клетках 

 

1.

 

На бактериальное происхождение митохондрий указывает наличие собственной ДНК, 

бинарное  размножение,  собственные  рибосомы,  а  также    собственная  двойная 
мембрана.  
 
Другой пример эндосимбиоза – это хлоропласты в растительных клетках.  
 
Кроме  эндосимбиоза  к  возникновению  митохондрий  могло  привести  то,  что 
бактерия,  которая  в  будущем  стала  митохондрией,  первоначально  была 
бактериальным паразитом. 
 

2.

 

На  поверхности  лежит  его  использование  для  биомедицинских  целей  –  в  качестве 

мотора  в  более  сложных  наноразмерных  системах  для  доставки  лекарств  или 
диагностических  чипов.  Также  изучение  его  строения  поможет  создавать  более 
эффективные  моторы  в  будущей  наноробототехнике.  Существенным  недостатком 
является  их  слабая  управляемость  и  то, что  они  способны  работать  только  в  водных 
растворах. 
 

139

 

 

 

 

Биология для школьников 7 – 11 класса (заочный тур) 
Задача 3. Урок зельеварения 

 
Гермиона  решила  вступить  в  клуб  Зельеварения.  Руководила  клубом  новая  учительница, 
которая особо увлекалась таким разделом науки маглов, как нанобиотехнологии. 
 
На первом же занятии учительница сняла с руки кольцо и кинула его в раствор 50% азотной 
кислоты.  Стакан  она  поместила  под  тягу,  а  из  стакана  с  раствором  пошел  дым,  который 
учительница  назвала  «лисьим  хвостом».  А  когда  жидкость  остыла,  на  дне  образовались 
белые  кристаллы.  Стакан  учительница  отдала  Гермионе  и  попросила  ее  отфильтровать  его 
содержимое.  После  этого  она  заварила  чай  из  листьев  герани,  в  приготовленный  экстракт 
высыпала  отфильтрованные  Гермионой  кристаллы  и  поставила  это  все  на  мешалку.  По 
уверению  учительницы  в  конце  процедуры  цвет  экстракта  должен  измениться  и  в  нем 
должны  зародиться  таинственные  наночастицы.  С  помощью  этих  частиц  маглы  усиливают 
сигнал  падающего  света  от  молекул  при  условии,  что  наночастицы  находятся  рядом  с 
молекулами. 
 

1.

 

Из какого металла должно было быть сделано кольцо? (1 балл) 

Что  из  себя  представляет  дым,  названный  учительницей  «лисьим  хвостом»? 
Напишите схему реакции. (1 балл) 

 

2.

 

Как вы думаете, зачем нужен экстракт из листьев герани и как называется химический 

процесс,  в  ходе  которого  получаются  наночастицы?  (1  балл)  Почему  должен 
измениться цвет экстракта? (1 балл) 
 

3.

 

Как называется метод маглов? (1 балл) 

Какими преимуществами обладает такой метод получения наночастиц по сравнению 
с другими? (2 балла) 

 
Всего – 7 баллов 
 

140

 

 

 

 

Биология для школьников 7 – 11 класса (заочный тур) 
Решение задачи 3. Урок зельеварения 

 

1.

 

Это  кольцо  должно  быть  сделано  из  серебра.  «Лисий  хвост»  –  это  жаргонное 

название оксида азота (IV). 
 

Ag + 2HNO

3

 (конц) → NO

2

 + H

2

O + AgNO

3

 

 

2.

 

В фитоэкстрактах герани образуются вещества которые являются восстановителями. В 

результате  реакции  фитоэкстрактов  с  нитратом  серебра  образуются  коллоидные 
растворы наночастиц серебра (гидрозоли наночастиц серебра). 
 
При  образовании  наночастиц  серебра  цвет  раствора  меняется,  так  как  наночастицы 
серебра  обладают  оптическими  свойствами,  обусловленными  поверхностным 
плазмонным резонансом – они становятся красновато-бурыми. 
 

3.

 

Метод маглов называется спектроскопией гигантского комбинационного рассеяния.  

 
Считается, что методы зеленой химии более экологичны и дешевы. 

 

141

 

 

 

 

Биология для школьников 7 – 11 класса (заочный тур) 
Задача 4. Приключения Ясона и Геракла 

 
Ясон  и  Геракл решили стать  биологами. Ясон был  первым,  кто  изобрел  машину  времени  и 
совершил путешествие в архейскую эру. А Геракл в это время изучал кишечник коровы. 
 

1.

 

Что Ясону надо было бы обязательно взять с собой, чтобы выйти из машины времени 

и изучить живые организмы в архейскую эру? (2 балла) 

 

2.

 

Когда Ясон и Геракл сравнили свои исследования, то они были сильно удивлены, так 

как  нашли  в  них  много  общего.  Как  вы  думаете,  что  общего  они  нашли,  а  что 
отличалось? (2 балла) 

 

3.

 

Какие  живые  организмы,  жившие  в  архейскую  эру,  стали  причиной  такого 

многообразия жизни в наше время и благодаря каким своим свойствам? (2 балла) 

 
Ясон  и  Геракл решили изобрести  медицинского  наноробота  для  борьбы  с  особо  опасными 
инфекциями.  Прежде,  чем  перейти  к  своему  изобретению,  они  решили  изучить,  какими 
особыми  свойствами  обладает  макрофаг  –  клетка  иммунной  системы  и  что  ее  отличает  от 
других клеток. 
 

4.

 

Как  вы  думаете,  какими  обязательными  характеристиками  должен  обладать 

макрофаг, чтобы выполнять свою функции? (2 балла) 

 
Всего – 8 баллов 

142

 

 

 

 

Биология для школьников 7 – 11 класса (заочный тур) 
Решение задачи 4. Приключения Ясона и Геракла 

 

1.

 

Так  как  в  атмосфере  архейской  эры  практически  не  было  кислорода,  то  Ясону 

обязательно  нужно  было  взять  с  собой  скафандр.  Для  изучения  флоры  и  фауны  ему 
нужно было взять микроскоп, так как в то время Землю населяли бактерии и археи. 

 

2.

 

Атмосфера  архейской  эры  по  газовому  составу,  как  предполагают,  была  такой: 

углекислый  газ,  азот,  водород,  метан,  аммиак,  сероводород,  хлористый  водород. 
Состав  кишечных  газов:  азот,  углекислый  газ,  водород,  метан,  кислород,  аммиак, 
сероводород.  Как  и  в  кишечнике  коровы  основные  жители  архейской  эры  были 
бактерии  и  археи,  в  основном  анаэробы,  например  метаногены  –  жили  в  архейских 
период и до сих пор живут в болотах, а также в кишечнике жвачных и человека. 

 

3.

 

Благодаря  цианобактериям,  которые  в  процессе  фотосинтеза  в  качестве  побочного 

продукта  производили  кислород,  атмосфера  на  земле  с  восстановительной 
поменялась  на  окислительную  и  доля  кислорода  в  атмосфере  выросла  до  20%.  В 
результате кислородной катастрофы многие жители архейского периода погибли – но 
те, кто выжил, дали жизнь всему тому многообразию, которое мы в данный момент 
наблюдаем. 

 

4.

 

Для  того,  чтобы  макрофаг  был  способен  исполнять  свои  функции,  он  должен  быть 

большой  клеткой,  с  развитым  цитоскелетом,  чтобы  двигаться  и  быть  способным  к 
фагоцитозу. Также у него должно быть много митохондрий, потому что его функции 
очень  энергозатратны  и  требуют  много  АТФ.  Кроме  того,  фагоцит  должен  быть 
способен генерировать активные формы кислорода, чтобы уничтожать бактерии. 

143

 

 

 

 

Биология для школьников 7 – 11 класса (заочный тур) 
Задача 5. «Прививка от Кроша» 

 
В  мультфильме  «Смешарики.  Прививка  от  Кроша»  друзья  Крош  и  Ежик  решают  помочь 
выздороветь заболевшему гриппом пингвину Пину. В специальной летающей и плавающей 
капсуле  они  уменьшаются,  попадают  в  стакан  c  лекарством,  который  выпивает  Пин,  и 
проникают в его кровеносную систему, где отправляются на поиски «захватчиков» – вирусов 
гриппа  и  «собственной  армии»  Пина  –  иммунных  клеток.  Однако  на  самом  деле  все 
оказывается  намного  сложнее,  чем  они  подозревали.  В  кровеносных  сосудах  Крош  и  Ежик 
встречают,  как  они  считают,  ужасных  монстров:  одни  «плюются»  липкими  «снарядами», 
другие пытаются съесть уменьшающую капсулу с друзьями. При этом со всех сторон капсулу 
«толкают» многочисленные округлые красные клетки. 
 

1.

 

О каких «монстрах» идет речь и в чем их функция в организме? (2 балла) 

 

2.

 

Чем  являлись  липкие  «снаряды»?  В  чем  их  функция  и  чем  обеспечивается 

«прилипание»  снарядов  к  предполагаемой  мишени?  Как  Вы  думаете,  а  могли  эти 
«снаряды»  на  самом  деле  прилипнуть  к  уменьшающей  капсуле  Кроша  и  Ежика?  За 
счет чего? (4 балла) 

 

3.

 

Каких  бы  «монстров»  не  было,  если  бы  Пин  был  не  пингвином,  а,  например, 

кузнечиком? Ответ обоснуйте. (2 балла) 

 

4.

 

Каких  «монстров»  встретили  бы  Крош  и  Ежик,  если  бы  проникли  не  в  кровь,  а  слои 

кожи? Назовите их и опишите функции. (2 балла) 

 

5.

 

Как Вы считаете, какую функцию выполняют многочисленные красные клетки? У кого 

эти  клетки  будут  работать  эффективнее,  у  пингвина  Пина  или,  например,  зайчика 
Кроша? Почему? (2 балла) 

 

6.

 

По  сюжету  мультфильма  Пин  отказался  делать  прививку  от  гриппа.  Опишите,  каким 

образом прививки помогают организму не заболеть или, во всяком случае, перенести 
заболевание быстрее и легче. (2 балла) 

 
Всего – 14 баллов 

144

 

 

 

 

Биология для школьников 7 – 11 класса (заочный тур) 
Решение задачи 5. «Прививка от Кроша» 

 

1.

 

«Плюющиеся»  монстры  –  это  В-лимфоциты  (клетки  приобретенного  иммунитета), 

производящие  антитела,  а  «монстры»,  пытающиеся  съесть  капсулу  –  это  макрофаги. 
Также  это  могут  быть  дендритные  клетки  и  нейтрофилы.  Макрофаги,  дендритные 
клетки  и  нейтрофилы  –  это  клетки  врожденного  иммунитета.  Их  роль  –  быстрая, 
первоочередная  защита  организма  от  инфекции.  Макрофаги  и  нейтрофилы 
эндоцитируют  чужеродный  агент  –  патоген.  Дендритные  клетки  также  захватывают 
патоген, но их основная функция после этого – активировать лимфоциты, передав им 
информацию  о  съеденном  патогене.  Так,  активированные  В-лимфоциты  начинают 
производить  антитела,  которые  будут  иметь  точное  соответствие  и  способность 
прилипнуть  к  компонентам  патогена.  При  выделении  антител  из  В-лимфоцитов  они 
специфически  связываются  с  компонентами  чужеродного  агента  и  тем  самым 
привлекают другие лимфоциты и макрофаги. 

 

2.

 

«Липкие 

снаряды» 

– 

это 

антитела. 

Антитела 

специфическим 

образом 

взаимодействуют 

с 

белками 

чужеродных 

агентов-патогенов. 

Подобная 

специфичность закладывается при синтезе антител в В-лимфоцитах, активированных 
дендритными клетками, поглотившими патоген или его белковые компоненты. Таким 
образом,  «снаряды»-антитела  не  могли  «прилипнуть»  к  уменьшающей  капсуле  с 
Крошем  и  Ежиком.  Некоторое  неспецифическое  «прилипание»  могло  произойти 
только за счет случайного гидрофобного или электростатического взаимодействия. 

 

3.

 

Если бы Пин был кузнечиком, то у него бы не было приобретенного иммунитета и В-

лимфоциты отсутствовали. 

 

4.

 

Если  бы  Крош  и  Ежик  попали  в  слои  кожи,  то  они  там  бы  там  тоже  встретили 

«монстров»-пожирателей 

– 

дендритные 

клетки 

и 

нейтрофилы, 

которые 

перемещаются  по  всему  организму  в  поисках  чужеродных  агентов.  Кроме  того,  в 
нижние слои кожи при индукции воспаления перемещаются лимфоциты, в том числе, 
В-лимфоциты, синтезирующие антитела – «липкие снаряды». 

 

5.

 

Многочисленные клетки  – это эритроциты, основная функция которых  – это перенос 

кислорода.  У  птиц  эритроциты  круглые  и  содержат  ядро,  в  то  время,  как  у 
млекопитающих  эритроциты  имеют  форму  двояковогнутого  диска  без  ядра.  Таким 
образом,  у  эритроцитов  млекопитающих  создается  больший  объем,  заполненный 
гемоглобином, в связи с чем они более эффективно переносят кислород. 

 

6.

 

Прививки  вводят  в  организм  кусочки  патогена,  которые  активируют  иммунную 

систему,  заставляя  В-клетки  производить  антитела.  Часть  В-лимфоцитов  запоминает 
патогена и сохраняется (формируются клетки памяти). Когда в организм попадает уже 
настоящий возбудитель заболевания, то лимфоциты активируются очень быстро, что 
и  позволяет  не  заболеть  или  справиться  с  инфекционным  агентом  значительно 
быстрее, чем было бы без прививки. 

 

145